JP7159162B2 - 腹腔鏡検査において排煙粒子を分離するためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、腹腔鏡下介入中の手術用ガスの排気における、排煙粒子、液滴及び水分の分離のためのデバイスに関する。

最小侵襲手技は、ますます一般的になりつつある。最小侵襲介入、例えば腹腔鏡検査において、手術中にレーザーメス又はその他の電気若しくは超音波装置を使用する場合、しばしば患者の体内に排煙が発生する。このような排煙は、微粒子成分、液滴様成分及びガス状成分の複雑な混合物を含有する。このような排煙は、かねてから安全上の理由により、未濾過状態で手術室中に放出してはならない。最新の気腹装置は、しばしば、対応する排気ホース及びそれぞれのフィルターデバイスを含み、このフィルターデバイスによって患者の体内で発生した排煙を濾過除去することができる。通常、フィルターデバイスは、液滴及び粒子を濾過除去する繊維フィルター又はメンブレンである。このようなフィルターは、様々な欠点を有する：メンブレンは比較的閉塞しやすく、繊維フィルターは最適な濾過を行うには、低流量を必要とする。

したがって、上記の欠点を有することなく、液滴、水分及び粒子を、手術中に発生した排煙から有効に除去するためのデバイスを開発する必要がある。

いわゆるサイクロンセパレータは、ガス流から大きな粒子又は液滴を分離する働きをすることが、大規模設備から知られている。例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載されている。

米国特許第４２５５１７４号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１５２５２５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１７２５８９号明細書 欧州特許出願公開第２８３２４４９号明細書

Farrugia, M.; Hussain, S. Y. et al. (2009): Particulate Matter Generated During Monopolar and Bipolar Hysteroscopic Human Uterine Tissue Vaporization, in: Journal of Minimally Invasive Gynecology(蘭), year 16, No. 4, p. 458-464

本発明は、単純であるにもかかわらず、上記の問題を解決するデバイスを提供する。デバイスは、例えば２つのホース部分の間のコネクタとして配置できる、実質的に管状のユニットである。この管状デバイスは、中を通るガス流に半径方向の運動成分を付与する案内羽根を内部に有する。本発明のデバイスを通って供給される層流又は乱流のガス流は、デバイスを通った後、螺旋状又は渦巻状で送られる。液滴及び粒子は、発生した遠心力によってホースの壁へと移動し、そこで、接着によって分離される。更に、デバイスを通過する間に圧力損失が起こることで、ガスに溶解した液体の凝縮が生じ、凝縮物が生成する。

したがって、本発明の主題は、３～２０Ｌ／分の流量で流れる排煙から粒子、液滴、及び水分を分離するためのデバイスであって、
１０～５０ｍｍの長さｌを有する管を含み、当該管は４～２０ｍｍの内径ｄ_ｉを有し、
０．５～６ｍｍの横断面を有する、軸方向に位置するフローボディＫを含み、
軸方向に位置するフローボディＫと管の内壁との間に配置され、それらにしっかりと接続されている２～６枚の案内羽根Ｌを含み、
案内羽根Ｌは、中を流れるガスに半径方向運動成分を付与するように螺旋状に配置されている、デバイスである。

本発明によるデバイスの２つの例を示す。 本発明によるデバイスの断面図を示す。 本発明によるデバイスの断面図を示す。 ホースコネクタである本発明によるデバイスを示す。 デバイスの出口開口部 典型的な排煙中の粒径分布を、体積比率の形で示す。 異なるガス流に関する、図１に示したデバイスの分離曲線を示す。 ホースコネクタである本発明によるデバイスを示す。 本発明によるデバイスを一体化したフィルターホルダーを示す。 可能な本発明の別の実施形態を示す。

図１は、本発明によるデバイスの２つの例を示す。いずれの場合も、デバイスは、管状デバイスの内部に、５枚（上）又は４枚（下）の案内羽根を有する軸方向フローボディが配置されるように構成されている。シャフト及び案内羽根は剛直であり、案内羽根は外筒に接続されている。本発明によるデバイスを通して排煙を導通するとき、液体と粒子の分離は、隣接するホース内で起こる（図４参照）。図４は、ホース内の典型的な螺旋分離パターンも示す。螺旋状の乱流及びそれにより発生する遠心力は、デバイスとの距離が大きくなるにつれて減少することから、分離の大部分はデバイスの近くで起こる。部分的分離は、デバイスの出口開口部ですでに起こっていると考えられる（図５参照）。

図２（上）は、本発明のデバイスの断面図を示す。本発明のデバイスの数及び幾何学的形状は非常に多様である。一般に、本発明のデバイスの内径ｄ_ｉは４～２０ｍｍの範囲となる。軸方向フローボディの直径（ｄ_Ｋ）は０．５～６ｍｍ、好ましくは１～４ｍｍの範囲となり得る。実験によると、３～６枚の案内羽根を使用したときに良好な分離結果が得られる。しかし、２枚の螺旋状案内羽根のみ又は６枚を超える羽根を備えることも想定できる。案内羽根の出口角度βは、１５～３０度であるべきである。ここで、出口角度βは、半径全体で一定である必要はなく、可変であってもよいことに注意する。出口角度は、例えば、内部フローボディへの接続部において３０度であり、半径方向に低下して、管の内壁に到達したときに２０度となり得る。

図２（下）は、いわゆる羽根入口部表面積Ｆ_Ｅ及び羽根出口部表面積Ｆ_Ａを示し、これが分離の役割を果たす：表面積の比Ｓ、Ｆ_Ｅ：Ｆ_Ａは、１～８、好ましくは２～５であるべきである。特に好ましいのは、２．７～３．３の表面積比である。

特殊な実施形態では、１枚の案内羽根だけで、分離を可能にするのに十分となり得る。この場合、管状デバイスを通るガス流は、管内に螺旋状に配置された隔壁によって分離される。必要な半径方向力を保証するためには、螺旋状の隔壁は、少なくとも１８０度、好ましくは少なくとも２７０度、特に好ましくは少なくとも３６０度の回転を含む必要がある。

案内羽根と軸方向に配置されたフローボディとの接続に関しては、異なる幾何学的形状も存在する：接続は、４枚の案内羽根の例として図２に示すように、直交又は分割形状であり得る。分割形状の構成の場合、案内羽根に垂直に作用する力（Ｆ_ｓ）に加えて、別の半径方向力のベクトル（Ｆ_ｒ）が存在し、その結果、改善された分離性能の改善が得られる。

本発明の好ましくは実施形態には、以下が該当する：
１．羽根の数は３～５であるべきである。
２．軸方向ボディの長さｌ_ｋの横断面ｄ_ｋに対する比は、２～３であるべきである。
３．案内羽根の背後からガス出口までの長さｌ_ａの横断面ｄ_ｋに対する比は、２～４であるべきである。
４．羽根入口表面積Ｆ_Ｅの羽根出口表面積Ｆ_Ａに対する比Ｓ（図２参照）は、２．７～３．３であるべきである。

この点で、本発明によるデバイスには、可動部品がなく、したがって、単純な方法で製造できることに注目すべきである。製造は、例えば、射出成形又は３Ｄ印刷で実施されてもよい。アンダーカットがない案内羽根の実施形態では、単純で経済的な開放／閉鎖ツールを用いた射出成形による製造が可能である。羽根にアンダーカットがある場合、更に改善された分離性能が達成される。羽根にアンダーカットを有するこのようなデバイスの製造では、射出成形製造は、スピンドルインサートを用いて実施する必要がある。

３Ｄ印刷による製造の場合、すべての実施形態を特に困難なく実施できる。

本発明によるデバイスはまた、医療用デバイスの他の構成要素、例えば、フィルターハウジング、ホースアダプタ等と一体化し得る。本発明によるデバイスは、所望であれば、他のフィルターデバイスとも一体化し得る。排煙の流れは、例えば、最初に本発明のデバイスを通り、その後他の種類のフィルター（繊維フィルター、メンブレンフィルター、活性炭フィルター等）を通るように方向付けされ得る。

分離効率は、下流のホース及びチューブの壁の粗度の影響も受ける。材料の粗度が高いほど、通常は分離が良好になる。当業者は、粗度は対応する材料の使用によって、射出成形ツールの表面設計の適応によって、又は表面コーティングによって、変更できることを十分に認識している。親水性材料及びコーティングは、必然的に、特に液体（液滴形状）の排煙成分の分離を改善する。

図６（非特許文献１より）は、典型的な排煙中の粒径分布を、体積比率の形で示す：粒子の大部分は、２～２，０００μｍの粒径を有することがはっきりとわかる。

図７は、異なるガス流に関する、図１に示したデバイスの分離曲線を示す。分離効率は、粒子径及びガス体積流量の増大と共に明らかに向上することがわかる。＞１ミクロンの粒子は、６～１２Ｌ／分のガス流量で、このような医療デバイスが通常そうであるように、すでに１０～３０％が分離されている。直径が２，０００～３，０００ナノメートル（２～３μｍに相当）の粒子の場合、分離は、同じ条件下で８０％を超える。デバイスの設計及び流量に応じて、繊維フィルターではわずかしか分離されない粒径１００～４００ｎｍの粒子も分離される。６Ｌ／分未満のガス流では、粒子の分離はごく限られる。それにもかかわらず、本発明によるデバイスを、水分の分離のため、３～６Ｌ／分のガス流量に使用することもできる。

上記のように、おそらく最も単純な実施形態は、本発明によるデバイスをホースコネクタとして提供することである。このような実施形態の１つの可能性を図４に示す。あるいは、図８に示すように、本発明のデバイスの入口側は、ホースを容易に取り付けることができるような寸法とする。ハウジング（２）の外側は、ホースを容易に滑らせることができるように、わずかに先細りであり得る。該当する場合、ホースをホースクランプで固定し得る。ハウジングは、中央隆起（３）を有し得る。案内羽根を有する軸方向ボディ（Ｋ）は、デバイスの内側に位置している。デバイスの出口側には、第２のホースが取り付けられており、該当する場合には、これもホースクランプで固定される。いずれの場合も、医療用吸引デバイス（例えば、吸引ポンプ付きの腹腔鏡検査装置）から来るガス流は、第１のホースを通って、本発明のデバイスに供給される。ポンプを運転するときに、ガス流は、第１のホースを通ってデバイス内に導通され、第２のホースを通って排出される。ガス流は、矢印（１、５）の方向である。ガス流に含まれる粒子及び水分は、第２のホース内で、特徴的な螺旋領域に付着することとなる。第２のホースは、第１のホースと異なる材料から作製され得、例えば、分離を促進するために、より高い粗度又はより親水性の表面を有する。

別の可能性は、フィルターホルダー（図９）に本発明のデバイスを一体化することである。ここで、例えば、フィルター（５）は、例えば、対応するクランプエレメント（６）で、ハウジング内に保持及び把持される。ハウジングは、例えば、２つの円錐形部品（９、１０）からなり、２つの円錐の底は、例えば差し込みカップリングで互いに接合されている。フィルターは、２層からなり得、繊維フィルターに加えて、活性炭フィルターを有し得る。活性炭フィルターは、シート様で繊維ファイバーに接続され得、又は管状でハウジング出口と一体化され得る（非表示）。軸方向ボディ（Ｋ）及び一体成形された案内羽根を有する本発明によるデバイスは、ハウジングの入口において一体化される。デバイスの出口ポートは、同時に、第１チャンバ（３）へのガス流の入口である。ガス流は、フィルター（５）を通った後、ハウジング出口（７）へと誘導される。この実施形態では、フィルターの閉塞を防止するため、フィルターサイズは、通常、出口ポートの直径よりもはるかに大きい。出口ポートの直径が２０ｍｍの場合、３０～１００ｃｍ^２のフィルター面積が推奨され、フィルター領域が円形、正方形、長方形であるか、又は異なる幾何学的形状を有するかは問題ではない。

可能な本発明の別の実施形態（図１０）では、本発明によるデバイスは、フィルターハウジングと一体化され、ハウジングは水分離装置も含む。ハウジング（１０）は、第１チャンバ（３）を含み、その中に軸方向ボディ（Ｋ）及び案内羽根を有する本発明によるデバイスの出口ポート（２）が開放されており、これが第１チャンバへのガス入口を形成する。第１チャンバ（３）はガス出口（７）を含む。ガス出口（７）は、ガス入口と並んで配置され得る。図１０に示すように、特殊な実施形態では、ガス出口は、ガス入口からずれて配置され得る。第２チャンバ（４）に水が入ることなく、所望の水分離を可能にするため、この場合、入口よりも高い場所にソケット型の出口を設けることが推奨される。本発明によるデバイスから来たガス流は、この場合、チャンバ（５）の後壁に当たり、そこに液滴が付着し得る。第１チャンバの底は、吸湿材（６）（例えば、超吸収材）で作製され得る。後壁と一体化された出口ソケット（７）は、フィルター構成（１１）を備えた第２チャンバ（４）内へとつながる。フィルター構成（１１）は、例えば、ガス流内におそらくまだ存在する残留粒子を除去するための繊維フィルターからなり得、ガス（例えば、ＨＣＮ、ＣＯ、ＳＯ_２）を分離するための活性炭フィルターからなり得る。この場合も、フィルターの閉塞を防止するため、大きな面積のフィルター構成が推奨される。この全体構成で濾過されたガス流は、出口ソケット（１２）を通って第２チャンバから出る。全体構成を通るガス流は、矢印（１、８、９）の方向に流れる。

要約すると、本発明は、合理的なコストで製造することができ、既存の医療システム（例えば、吸引システム付き医療用気腹装置）に容易に組み込むことができ、かつ、それにもかかわらず、排煙からの粒子及び液滴の効率的な分離を可能にする、単純なデバイスの提供に成功した。経済的に製造できることで、使い捨て使用が可能になり、その結果、外科用途で一般に行われる高額な洗浄滅菌プロセスを避けることができる。

Claims (8)

1. ３～２０Ｌ／分の流量で流れる排煙から粒子、液滴、及び水分を分離するためのデバイスであって、
   １０～５０ｍｍの長さｌを有する管を含み、前記管は４～２０ｍｍの内径ｄ_ｉを有し、
   ０．５～６ｍｍの直径を有する、軸方向に位置するフローボディＫを含み、
   前記軸方向に位置するフローボディＫと前記管の内壁との間に配置され、それらにしっかりと接続されている２～６枚の案内羽根Ｌを含み、
   前記案内羽根Ｌは、中を流れるガスに半径方向運動成分を付与するように螺旋状に配置されている、
   デバイス。
2. ３～５枚の案内羽根Ｌを含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記軸方向フローボディの長さｌ_ｋの前記軸方向フローボディの直径ｄ_Ｋに対する比が２～３である、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記案内羽根の後端の流れ方向の長さｌ_ａの、軸方向フローボディの直径ｄ_Ｋに対する比が、２～４である、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記案内羽根は、前記軸方向フローボディの中心軸に向くように、又は中心軸からずれて接続される、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記フローボディ及び案内羽根を有する前記管がハウジングと一体化されており、前記ハウジングが粒子、液体、及び／又はガスを分離するための更なるデバイスを含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 粒子が繊維フィルターによって分離され、水が超吸収材によって分離され、及び／又はガスが活性炭によって分離される、請求項６に記載のデバイス。
8. 医療用デバイスにおける手術用ガスの排気における排煙粒子及び液滴の分離のための、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載のデバイスの使用。

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